基于光电技术智能输液监控系统设计

第29卷 第5期核电子学与探测技术

V ol.29 N o.5

2009年 9月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gy

Sep. 2009

基于光电技术智能输液监控系统设计

陈 宇1

,王 玺

2

(1.郑州航空工业管理学院电子通信工程系,河南郑州 450015;

2.遵义医学院基建处,贵州遵义 563003)

摘要:目前,中小型医院在进行输液治疗时,都是采用人工调整滴速,这种方式不够准确和方便,并

且输液异常、结束时也不易被及时发现,这些因素都会造成医疗事故的发生,而通过布设线缆实现滴液监控耗费人力物力。针对这一问题,基于光电技术、单片机技术、无线通信技术等研究设计了一套分布式智能输液监控系统,采用光电调制解调技术实现液滴速度及滴液高度的测量,单片机实现输液速度计数和显示,通过键盘实时设定点滴速度,并通过控制步进电机控制点滴速度,输液结束时自动报警提示。系统网络通信较好,可有效消除了环境光干扰,具有检测精度高,响应速度快等特点。详细介绍了智能输液现场监控子站软硬件设计。

关键词:光电检测;单片机;步进电机;输液监控

中图分类号: T P274 文献标识码: A 文章编号: 0258 0934(2009)05 1149 06

收稿日期:2008 07 09

作者简介:陈宇(1978-),男(汉族),河南郑州人,郑州航空工业管理学院机电工程系讲师,硕士研究生,主要从事电子通信工程教学与科研工作。

静脉输液是临床医学中常用的辅助医疗手段。[1]医院在对病人进行输液治疗过程中,需要根据输液的药物和患者病情选择合适的静脉输液滴流速度。目前,对静脉输液的监控普遍采用人工方式,由护士调节点滴流速,输液结束,如无陪护或医护人员及时换药或拔针头,将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况。轻则延误治疗,重则发生严重医疗事故。

目前,临床上使用的国内外生产的自动输液器大多是蠕动泵式单立输液器,一般只有堵液报警和总量完成报警等功能,不具有集中监控单位输液量的功能;部分医院采用以病人求救线作为CAN 总线[2]实现分布式输液监控系统设计取得了一定的成效,但绝大多数中小医院特别是社区医院缺少此类设备。因此,本文

针对这些问题,基于光电技术、调制解调技术、

单片机技术、无线网络传输技术和模糊控制技术,研究设计了一套分布式智能输液监控系统,系统能够实现现场键盘或上位PC 机对点滴输液速度的自动检测控制,利用单片机实时调整液滴速度和LED 数码显示屏实时显示,实时监测储液瓶药液高度,当液位超过警戒值时,本地和医护办公室同时报警并显示床位号。

1 系统总体方案

系统由上位PC 主机、监控接收总站节点、现场监控子站节点等模块组成。通过无线传输模块将各监控子站节点连接成一个分布式网络。系统结构如图1所示。

本系统通过红外发射、接收传感器完成点滴瓶内液位高低及滴斗滴速的采集,由单片机AT 89C51为核心组成的现场监控子站完成对采集数据的分析与处理。按照设定值要求实时控制步进电机以保证滴液速度,若瓶内液位低于设定值时,自动启动报警音乐,提示医护人员换药或拔针。各监控现场控制器通过无线传输

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图1 系统结构框图

芯片nRF401实现与控制总站的数据通信,控制总站核心控制器AT89C51与上位机通过USB接口连接。上位机采用普通PC机,使用USB适配器PDIUSBD12,使上位PC机具有USB接口通信功能。通过USB通信适配器与工作总站相连,进行信息交换,负责进行整个系统的监视管理。工作总站控制器接收上位PC 机的各种操作控制命令和设定参数;各现场控制器实时采集各模拟量输入通道值,控制信号。上位PC机实时监视各点滴吊瓶内药液高度及滴斗点滴速度,并可进行现场滴速的实时控制。

系统以A T89C52单片机为监控节点控制器,将其与现场滴液检测、液位检测、报警电路、显示电路、键盘电路等相连,构成监控网络中的一个智能节点;并控制由nRF401无线收发芯片及外围电路构成的无线通信系统进行数据传输,将控制总站与各现场监控节点相联,实时监控各设备状态,并可实现监控方案下载更新,无需另外布线,整个系统结构简单,大大节省了传统网络控制系统建设带来的人力物力的消耗。由于文章篇幅有限,文章仅对现场监控子站控制部分进行分析介绍。

2 设计原理

系统现场点滴速度及液位高度检测采用光电检测技术实现。[3]红外发光二极管与光电三极管分别作为发射管与接收管放置于点滴瓶与滴斗两侧,发射管发出红外光,光线透过输液管照射到光电三极管,光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。当输液管没有液滴通过时,光线衰减小,光电三极管输出比较强的光电流。当输液管有液滴通过时,由于液滴对光线吸收和散射作用,照射到光电三极管的光信号比较弱,它输出比较弱的光电流。因此,通过检测光电三极管的输出电流,转换为电压脉冲信号,即可探测出滴斗是否有液滴通过;通过计算连续5个液滴之间的平均间隔时间,换算成点滴速度。点滴瓶液位检测原理相同,当液降低到警戒线以下时,红外光由被遮挡变为完全照射到接收管,产生电压跳变,通过现场单片机控制器产生报警信号驱动现场声光报警装置启动。红外光电检测原理如图2

所示。

图2 检测原理图

本设计中,通过步进电机正反转改变吊瓶滴斗与地面之间的高度,来自动控制点滴速度,通过数字键盘设定点滴速度的大小,数码显示管显示键盘设置的点滴数(滴/分),若系统检测到的滴速大于设定滴速,监控现场单片机器AT89C51的P2.0口驱动步进电机正转,降低点滴瓶与地面高度使点滴速度变小(反之,P2. 1口驱动步进电机反转,升高点滴瓶使点滴速度增大),直至点滴速度与设定速度相同[4]。报警电路采用蜂鸣器和发光二极管声光报警,点滴速度就基本稳定下来了。随着点滴瓶内药液液位的下降,点滴速度也会逐渐减小, AT89C51会自动控制点滴速度使之保持为设定值不变。

3 系统设计

智能输液监控系统设计主要包括现场监控子站、控制总站以及上位PC机三部分组成。其中,监控子站滴速检测电路等设计是本设计中的重点。基于文章篇幅下面仅对系统想常监控子站部分功能模块进行分析设计。

3 1 滴液及液位检测电路

由于输液现场的环境光是系统检测干扰光,使信噪比S/N下降,故系统点滴检测采用调制/解调技术通过鉴幅及鉴频电路来消除干扰光[5];另外,在实际应用时,由于管壁上的小水珠等因素的干扰,接收管在接收红外光时易

1150

出现间隔较近的双脉冲。因此,对解调后的信号进行施密特触发后接入单片机控制器,实现对液滴的精确光电探测。滴速检测电路原理图如图3

所示。

图3 滴速检测电路

NE555及外围电路组成脉冲发生器,发出频率为f 0的方波电压,f 0计算公式(1)

[6]

:f 0

1.43

(R 1+2R 2)C 2

(1)

其输出脉冲波占空比通过调节电位器R2

来控制。调制解调接收电路由运放LM 358与解调芯片LM567及外围电路组成,接收到的微弱电流信号经电压信号转换、放大后,经调制解调,但其频率不发生变化。LM 567的接收频率f 1由公式(2)决定:

f 1

11.1(R 8+R 9)C 6

(2)

发射管D1发出频率为f 0的调制红外光。

当滴液通过滴管遮住光路时,接收管T1输出较弱的光电流。通过LM358组成电压放大器将电流信号转换成电压信号并放大。LM339与电位器R7组成过零比较电路(鉴幅电路)进行幅度鉴别。LM 339输入电压大于阈值电压U T 时,输出低电平;反之,输出高电平。鉴幅电路将液滴模拟信号转换为脉冲电压数字信号。输出信号送到鉴频电路,将频率f 1调整至调制频率f 0。当接收管接收的脉冲信号频率与LM 567的解调频率相同时,8脚输出低电平,反之输出高电平。因此,当光路中有液滴时,U3输出高电平;当光路中无液滴时,U3输出低电平。U 3输出的信号送到整形电路U4中,U4通过N E555组成施密特触发器,对鉴频电路输出的脉冲信号整形,克服葫芦状液滴形成的双脉冲。整形后信号发送到单片机控制器IN T0口。

点滴瓶液位检测电路与滴斗滴速检测原理类似,只不过红外接收管输出的不是脉冲信号,而是电平信号,经反相器倒相后,接单片机外部中断INT 1。由于篇幅所限,这里不再赘述。3 2 步进电机控制电路

步进电机可以通过对其输入的脉冲个数进行控制而达到对其转动角度的严格控制。要达到通过步进电机控制输液瓶的高度,只要将电机转动的角度和输液瓶上升高度之间的函数关系找出即可。我们采取分段检测的方式。首先把液滴速度从20滴/分到150滴/分(通常,人体能够适应的正常点滴数区间)的对应高度测出来,并拟合出一个滴速V 与高度h 的关系式[7]

。通过键盘设定点滴速度后,单片机控制器AT 89C51先将该滴速与当前测得的滴速进行比较,确定步进电机的转动方向,同时求出这两个速度对应高度差值,以确定转动的角度。然后,启动电机按照求出的转动方向、角度进行转动。

另外,当电机启动调整点滴瓶与地面高度时,停止滴速数据的检测,直到电机停止后,重新启动滴速检测。反复判断检测滴速和设定滴速的差值是否在误差允许范围之内,若差值在误差范围之内时电机不再转动,等待新的命令;否则,重复进行调整直到点滴速度与设定值差值满足要求。本系统通过控制步进电机实现吊瓶上、下缓慢移动,达到智能控制的目的。步进电机驱动电路原理如图4

所示。

图4 电机控制电路

当K2工作时,电流由左向右通过电机,电

动机正转。当K1工作时,电流由右向左通过

1151

电动机,电动机反转。当K1和K2都不工作或者都工作时,由于不能形成闭合电路,电动机均不工作。

3 3 声光报警电路

当点滴瓶液位低于设定临界值时,发射管发出的红外光直接被接收管接收,产生一个TT L 电平信号,经过放大、比较、整形处理后送入单片机AT 89C51,单片机P2.2口输出高电平信号,送至声光报警电路。声光报警电路由NE555、蜂鸣器及外围电阻电容等元件构成。电路原理如图5所示。

当红外发射管发出的红外光被点滴瓶内液体遮挡时,声光报警电路使NE555工作,输出高电平,经电容耦合滤除直流分量使蜂鸣器发出报警声,同时发光二极管经三极管驱动后发光报警,提醒医护人员进行换药或拔针操作。3 4 键盘显示电路

现场监控子站键盘电路用于设定点滴速

度,包括数字设定键、滴速 +! -!键、位数设

置键、开关机键等。根据药液类型不同等因素,点滴速度一般为10~200滴/分,因此,利用三位数码显示管即可实现滴速显示,选择单片机AT 89C51的P0.0~P0.3口与7段译码器74H C4511的A 、B 、C 、D 管脚相连,对数码管提供数据,P0.4~P0.6作为行选信号与数码显示管相连;将P1.0~P1.7作为按键接口,实现功能按键与单片机的输入连接。键盘及显示电路如图6

所示。

图5 声光报警电路

图6 键盘显示电路

另外,单片机的P3.0(RXD)、P3.1(TXD)口与无线传输芯片nRF401的DIN 、DOUT 相连,nRF401的T XEN 、PWR_U P 与单片机P2.6、P2.7相连,用来设定射频模块的工作状态。单片机P2.4、P2.5发出控制信号,通过nRF401的串行外围设备接口CS 、RF PWR 相连,设定射频模块的工作状态、输出功率,实现现场监控数据与控制总站的无线传输。这里不再介绍。3 5 看门狗电路

看门狗电路由芯片X5045及外围电路组成,X5045具有上电复位、看门狗定时、减压管理、串行块保护功能、EEPROM 功能,因此,在系统由于外界干扰或软件的错误执行,引起程序 跑飞!时,在可选的超时周期后,X25045看

门狗将以RESET 信号作出响应,重新热启动监测系统实现自动复位。在软件程序中可自行设定恢复时间,本系统设定为200ms 。看门狗电路原理如图7所示。

另外,由于X5045内部还包括EEPROM 模块,可用来存储保护整定值及其他参数。所以,在每次开机时,系统将自动显示上次点滴速度,并默认当前输液点滴速度为上次所存储滴速。

1152

图7 看门狗电路

4 软件系统设计

软件系统是智能输液监控系统的灵魂,系统只有在软件的协调控制下才能正常工作。现场监控子站系统软件部分主要负责数据采集和通信,其中包括滴速设置、滴速检测、液位检测、步进电机驱动控制、报警呼叫等功能。系统在完成初始化程序后,开始查询键盘输入状态,检测输液速度并调用滴速测量子程序,并实现滴速显示,根据检测滴速与设定滴速的差值计算出电机转向及转动角度实现调节。控制软件采用中断处理方式,每当液滴通过,则触发中断。在中断处理程序中,进行滴速计算,更新显示。并实时判断输液是否结束,如果结束则启动报警。主程序流程如图8所示。

采用周期法测量滴速,由于滴斗中每个液滴在通过光电检测部位时,都会引起单片机IN T0口电平的变化,所以液滴产生的脉冲频率值即为通过液滴的数目。由f =1/T (其中时间T 是测量从前一滴下落时引起INT0中断到下一滴落时引起INT0中断为止的时间间隔)可以得出每分钟的液滴速度:v =60/f ,并将连续5次时间间隔的平均值记为液滴速度。其中,时间间隔由定时器的时钟计算得到。

5 系统总结

系统通过采用调节点滴瓶高度的方案:利用步进电机转动实现不同滴速设置下输液瓶高度的自动改变,从而控制点滴速度。通过对不同高度相同滴速以及相同高度不同滴速[8]情况进行多次实验验证。由测试实验结果可看出,

用红外对管测得点滴速度与目测的点滴速度十

图8 主程序流程

分接近。另外,若将对滴速控制由改变点滴瓶高度改为控制输液管夹紧度,则系统的调整时间还可能缩短。

智能输液监控系统可方便地实现多点输液注射过程中的集中监控与管理,改善了医护人员的工作条件,减少了医护人员工作量及监护不当造成的医疗事故,把医护人员彻底从烦琐的劳动中解放出来,具有性能稳定、响应速度快、成本低廉、操作简便等优点,滴速及储液瓶内液位监视报警输出信号可靠、准确,具有较高的实用价值和经济效益,在医疗卫生领域具有广泛的应用前景。

参考文献:

[1]王紫婷,王瑞峰,严天峰.智能液体点滴速度监控

仪[J].自动化与仪器仪表,2004(5):48 49.[2]石小波,汪金刚,何为,张占龙.基于CA N 总线的

医院内部病人输液监护系统[J].计算机应用,2003(Z2):454 456.

[3]李云胜.基于V C 的液体点滴实时监控系统的设计

[J].计算机应用,2003(Z2):457 458.

[4]宋卫东,雷万军,张海潮,师波.医用便携式点滴监

护装置研究[J].医疗卫生装备,2007,28(11):26 27.

1153

[5]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航

空航天大学出版社,1998:216 233.

[6]梁维铭,黄劲.输液速度自动测控系统[J].广西科

学院学报,2002,18(4):211 213.[7]贺晓蓉,吴付祥,孔若飞,严庆福,沈小东.液速度

监控系统[J].医疗设备信息,2004,19(6):9 10. [8]陈彦,陈平.基于锁相环技术的液体点滴速度监控

系统[J].电子技术,2004,31(3):15 18.

Design of Intelligent Infusion Monitor and

Control System Based on Photoelectric Technology

CH EN Yu1,WA NG Xi2

(1.Z hengZ ho u Institute of Aer onautica l Industry M anagement,ZhengZhou450015,China;

2.Zuny i M edical Co lledg e,Zuny i563003,China)

Abstract:At present,in middle and small hospital,inf usion t reatment usually adopt s art ificial adjustment to cont rol drop speed.T his st yle has inadequate accuracy and convenient,and infusion abnormal and end is dif ficult y t o find,which can cause medical malpract ice.In addition,human and mat erial resources are consumed by laying wire cable.A im to this problem,we design a set of distribut ed int elligent infusion monitor syst em based on phot oelect ric t echnology,single chip microprocessor,and wireless communica t ion technology,etc.T he system complet es drop speed and drop height measurement by using photoelec t ric,modulation and demodulation t echnology,single chip microprocessor is used to infusion speed count and display.Infusion speed is set by keyboard,and cont rolled by stepping motor.A larming device is start when infusion is end.Experiment show s that syst em net work communicat ion is well,environment light int erference is ef fect ive eliminated,monitor precision is high,response speed is fast.Int elligent infusion area monit or subst at ion design in det ail is introduced.

Key words:Phot oelect ric monitor,single chip microprocessor,st epping motor,infusion monit or

(上接第1056页,Continued fro m pag e1056)

TDCR method measured for89Sr solution activity

WANG Zai y ong1,ZH ANG Zhao shan2

(1.N ational Institute of M etr olog y,Beijing100013,China;

2.Beijing R esear ch Institute of U ranium Geolog y,Beijing100029,China)

Abstract:Int roduction of89Sr solut ion activit y of by T DCR method absolut e measurement,Solved a tech nology problem f or T he short life of pure nuclide,t he combined uncert aint ies of89Sr act ivity are0.63%. Especially for expand89Sr nuclide are apply in nuclear medicine domain,added a met hod of measurement of in rapid accurat e reliable.

Key words:A bsolute measurement,tot al detection ef ficiency E

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